Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Такие представления о появлении первых горных пород на Земле царят в среде петрологов-экспериментаторов, изобретающих все новые лабораторные опыты, нагревая и сжимая горные породы, дабы воспроизвести условия земных глубин. Попытки раскрыть тайну происхождения горных пород сталкиваются с двумя техническими сложностями. Во-первых, необходимо работать с невероятно высокими температурами, в тысячи градусов, до которых не разогревается ни одна бытовая печь. Для достижения таких температур ученые разработали катушки из тщательно уложенной платиновой проволоки, через которые пропускается сильный ток. Еще более сложным техническим условием является необходимость поддерживать такие температуры одновременно с давлением, превышающим десятки, а то и сотни тысяч атмосфер. Для выполнения таких задач исследователи применяют массивные гидравлические прессы и мощные насосы.

Вот уже более века центром таких героических подвигов во славу земных глубин служит моя родная Геофизическая лаборатория Института Карнеги. Некоторое, увы, короткое время я работал вместе с Х. С. Йодером-младшим (вплоть до его безвременной кончины), одним из инициаторов экспериментальной петрологии и крупнейшим в мире специалистом по происхождению базальтов. Внимательный к людям, Йодер был человеком увлеченным, импозантным и энергичным – в буквальном смысле слова выдающимся. Во время Второй мировой войны он служил в ВМС США и близко познакомился с гигантскими металлическими механизмами. В 1950-е годы Йодер пришел на работу в Геофизическую лабораторию Института Карнеги, где использовал отработанные детали боевых орудий с линкоров, орудийные дула и бронированную обшивку, сохранившие серую окраску, для создания лаборатории высокого давления, которая определила судьбу Йодера на полвека, а также позволила нам кое-что узнать о земле, по которой мы ходим.

Центром установки, созданной Йодером, была «бомба» – массивный стальной цилиндр 30 см в диаметре и 50 см в длину, с внутренним диаметром примерно 2,5 см. Один конец бомбы соединялся с рядом насосов, компрессоров и усилителей давления, способных выработать до 12 тыс. атмосфер. Именно такое давление существует на глубине 40 км от поверхности Земли – эквивалент энергии от взрыва динамитной шашки (если бы устройство, не дай бог, взорвалось). На другом конце бомбы находился 30-сантиметровый контейнер для образцов и огромная шестигранная гайка. Мы герметично закупоривали этот контейнер, закручивая гайку гаечным ключом метровой длины и 9 кг весом.

Вся прелесть этого устройства состояла в том, что мы помещали каменный порошок и образцы минералов в маленькие золотые трубки, загружали эти трубки в нагреваемый цилиндрический контейнер и помещали все это в барокамеру-бомбу. Дальше надо было только обеспечить нужное давление, включить электронагреватель, а «бомба» проделывала все остальное. На каждый цикл уходило до шести золотых трубок; длился такой цикл от нескольких минут до нескольких дней. Замечательное изобретение Йодера идеально подходило для исследования условий возникновения горных пород в коре и мантии Земли.

Йодер со своими коллегами выяснил, что расплавленный металл, включавший большую шестерку элементов, обычно начинает твердеть, образуя кристаллы силиката магния – оливина, при охлаждении до 1500 °С. Как на Луне, так и на Земле в те далекие времена, когда шел процесс охлаждения, в раскаленной магме начинали вырастать красивые зеленые кристаллики, словно крошечные семена, которые постепенно увеличивались до размера дробинок, потом горошин, потом виноградин. Но оливин, как правило, плотнее жидкой среды, в которой он вырастает, и потому первые кристаллы начинали тонуть, причем чем больше они вырастали, тем быстрее тонули, скапливаясь в плотную массу кристаллов и образуя потрясающей красоты зеленого цвета породу – дунит. Этот камень представляет исключительную редкость на Земле, появляясь на поверхности в основном во время горообразовательных процессов или эрозии, когда обнажаются глубинные скопления оливина.

Процесс погружения кристаллов оливина медленно изменял остывающую магму в глубинах Земли и Луны. Оставшиеся расплавленные металлы меняли структуру; постепенно теряя магний, они становились более насыщенными кальцием и алюминием. На Луне по мере остывания магматического океана начал формироваться второй минерал. Анортит, или полевой шпат, состоящий из алюмосиликата кальция, кристаллизировался наряду с оливином, образуя светлые скопления. В отличие от оливина, анортит легче окружающей его жидкой среды и потому оставался на плаву. На Луне анортит в огромных количествах всплывал на поверхности магмы и образовывал обширный верхний слой: целые плавучие горы полевого шпата простирались грядой в несколько километров над расплавленной поверхностью. Эти белесовато-серые массы до сих пор покрывают около 65 % поверхности Луны и называются Лунным нагорьем. Поднявшись первыми над поверхностью океана магмы, они являются древнейшими горными образованиями на Луне. Судя по образцам лунного грунта, доставленным «Аполлонами», возраст анортитов составляет от 3,9 млрд лет (самые молодые) до 4,5 млрд (самые древние), т. е. они образовались вскоре после Великого столкновения.

На Земле, где влаги было больше и океаны магмы глубже, а соответственно внутренние температуры и давление были гораздо выше, события развивались по-другому. Небольшое количество анортита образовалось в ранний период остывания Земли, в основном ближе к поверхности, где давление было ниже, но этот минерал сравнительно редок. Зато в больших масштабах формировался богатый магнием пироксен, самый распространенный из числа силикатов, который, смешиваясь с оливином, образовал толстый слой кристаллической шуги. Древнейшие породы на Земле включали оливин и пироксен в виде твердой зеленовато-черной породы под названием перидотит. Разновидности перидотита начали формироваться на глубине примерно 80 км от поверхности Земли, возможно, более 4,5 млрд лет назад, и процесс этот продолжался многие сотни миллионов лет.

Несмотря на относительное обилие в начале процесса охлаждения, перидотит в настоящее время редко встречается на поверхности Земли. Согласно одной модели, массы перидотита затвердели и остыли, образовав кратковременную твердую поверхность Земли. Но остывающий перидотит, подобно своему предшественнику, дуниту, был значительно плотнее магмы, в которой он формировался. В результате слой твердого перидотита раскалывался и погружался в мантию, вытесняя на поверхность магму, которая, в свою очередь, остывая, образовывала новые массы перидотита. На протяжении сотен миллионов лет земная мантия постепенно твердела, превращаясь в своего рода конвейерную ленту, простирающуюся на 80 км из глубины до поверхности Земли. Соотношение между плотным перидотитом и магмой изменялось в сторону увеличения перидотита, пока почти весь верхний слов мантии не превратился в твердую оливин-пироксеновую породу.